嵌入式音頻處理基礎(chǔ)(一)

　　音頻功能在嵌入式媒體處理中起到關(guān)鍵性的作用。雖然一般來(lái)說(shuō)，音頻處理比視頻處理占用較少的處理能力，但它們具有相同的重要性。

　　本文共包括三個(gè)部分，在第一部分中，我們將探討數(shù)據(jù)是如何從各種音頻轉(zhuǎn)換器(DAC和ADC)傳送給嵌入式處理器的。在這之后，我們將探討一些經(jīng)常用于連接音頻轉(zhuǎn)換器的外圍接口標(biāo)準(zhǔn)。

模擬與數(shù)字音頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換

　　采樣
　　所有的A/D與D/A轉(zhuǎn)換都應(yīng)該遵循Shannon-Nyquist采樣定理。簡(jiǎn)言之，該定理規(guī)定了模擬信號(hào)在被采樣時(shí)的速率(Nyquist采樣率)必需等于或超過(guò)它的帶寬(Nyquist頻率)的兩倍，以便可以在最后的D/A轉(zhuǎn)換中進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。低于Nyquist采樣率的采樣將產(chǎn)生混疊，而這種混疊是那些超過(guò)Nyquist頻率的頻率分量在低頻區(qū)的鏡像疊影。如果我們?nèi)∫粋€(gè)帶寬限制在0-20kHz范圍內(nèi)的音頻信號(hào)，并在2×20kHz=40kHz頻率下進(jìn)行采樣，那么Nyquist定理就能確保我們可以對(duì)原來(lái)的信號(hào)進(jìn)行完美重構(gòu)而不會(huì)有任何信號(hào)損失。但是，對(duì)這個(gè)0-20kHz帶限信號(hào)用任何低于40kHz的采樣率進(jìn)行采樣時(shí)，將會(huì)由于混疊而產(chǎn)生失真。圖1示出低于Nyquist采樣率的采樣如何使信號(hào)表示得不正確。在40kHz頻率下采樣時(shí)，20kHz的信號(hào)被正確地表示(圖1a)。但是，同樣的20kHz正弦波，當(dāng)在30kHz頻率下采樣時(shí)，實(shí)際上看起來(lái)像是原始正弦波在一個(gè)較低頻率上的混疊(圖1b)。

圖1  (a)用40kHz對(duì)20kHz信號(hào)進(jìn)行采樣可以正確地捕捉到原始信號(hào)。
(b)用30kHz對(duì)同一個(gè)20kHz信號(hào)進(jìn)行采樣所捕捉到的是一個(gè)被混疊了的信號(hào)(低頻重影)

　　然而，沒(méi)有一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)是正好用兩倍的Nyquist頻率進(jìn)行采樣的。例如，把一個(gè)信號(hào)限制于一個(gè)指定的頻帶內(nèi)要使用模擬低通濾波器，但這些濾波器從來(lái)就不是理想濾波器。因此，通常用來(lái)還原音樂(lè)的最低采樣率是44.1kHz而不是40kHz，而且許多高質(zhì)量系統(tǒng)是用48kHz進(jìn)行采樣的，以捕捉到0-20kHz范圍內(nèi)更加逼真的聽(tīng)覺(jué)感受。

　　由于語(yǔ)音信號(hào)只是我們可以聽(tīng)到的頻率范圍的一小部分，所以4kHz以下的能量就足以使還原的語(yǔ)音信號(hào)能夠聽(tīng)得懂?；谶@個(gè)原因，電話應(yīng)用中通常只使用8kHz的采樣率(=2×4kHz)。表1歸納了我們所熟悉的一些系統(tǒng)的采樣率。

表1 常用的采樣率

　　PCM輸出
　　音頻信號(hào)最常用的數(shù)字表示是PCM(脈沖編碼調(diào)制)信號(hào)。在這種表示中，對(duì)每個(gè)采樣周期內(nèi)的一個(gè)模擬幅度用一個(gè)數(shù)字量進(jìn)行編碼。這樣得到的數(shù)字波形是一個(gè)用來(lái)近似地表示輸入模擬波形的由抽取點(diǎn)組成的矢量。所有A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率都是有限的，所以轉(zhuǎn)換器引入了數(shù)字音頻系統(tǒng)所固有的量化噪聲。圖2示出模擬正弦波的PCM表示(圖2a)，它是用一個(gè)理想的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，圖中的量化操作顯現(xiàn)為一種“階梯效應(yīng)”(圖2b)。您可以看到，較低的分辨率導(dǎo)致了對(duì)原始波形的較差的表示(圖3c)。

圖2 (a)一個(gè)模擬信號(hào) (b) 數(shù)字化之后的PCM信號(hào) 
(c) 使用較少位數(shù)精度進(jìn)行數(shù)字化之后的PCM信號(hào)

　　作為一個(gè)數(shù)值例子，讓我們假設(shè)用一個(gè)24位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，而這個(gè)模擬信號(hào)的范圍從-2.828V到2.828V(5.656的峰峰值)。24位有224(16777216)個(gè)量化等級(jí)。因此，有效的電壓分辨率為5.656V/16777216=337.1nV。在本文的第二部分，我們將看到編解碼器的分辨率如何影響音頻系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

　　PWM輸出
　　脈寬調(diào)制(PWM)是不同于PCM的另一種調(diào)制方法，它可以直接驅(qū)動(dòng)輸出電路而無(wú)需任何DAC的幫助。這在需要低成本的解決方案時(shí)特別有用。

　　在PCM中，對(duì)每個(gè)采樣周期內(nèi)的幅度進(jìn)行一次編碼，而在PWM信號(hào)中描述幅度的是占空比。PWM信號(hào)可以通過(guò)通用I/O引腳產(chǎn)生，或者可以用許多處理器中都有的專(zhuān)用PWM定時(shí)器來(lái)直接驅(qū)動(dòng)。

　　為了使PWM音頻達(dá)到相當(dāng)好的質(zhì)量，PWM的載波頻率應(yīng)該至少12倍于信號(hào)的帶寬，而且定時(shí)器的分辨率(即占空比的間隔時(shí)間)應(yīng)該有16位。由于載波頻率的需求，傳統(tǒng)PWM音頻電路曾經(jīng)被用于窄帶音頻，比如超重低音。但是，利用目前的高速處理器，就可以擴(kuò)展到更寬的音頻譜。

　　PWM流必須經(jīng)過(guò)低通濾波，以去除高頻載波。這通常是用驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的放大器電路來(lái)完成。D類(lèi)放大器已經(jīng)被成功地用于這種結(jié)構(gòu)。當(dāng)不需要放大時(shí)，一個(gè)低通濾波器就足以用作輸出級(jí)。在一些低成本應(yīng)用中，聲音的品質(zhì)不是那么重要，就可以把PWM流與揚(yáng)聲器直接相連。在這樣的系統(tǒng)中，揚(yáng)聲器紙盆的機(jī)械慣性充當(dāng)了濾除載波頻率的低通濾波器。

音頻轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)要背景

　　音頻ADC
　　完成A/D轉(zhuǎn)換可以有許多種方法。一個(gè)傳統(tǒng)的方法是逐次逼近的方案，該方案使用一個(gè)比較器對(duì)模擬輸入信號(hào)與一連串中間D/A轉(zhuǎn)換輸出之間的比較結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，然后得到最后的結(jié)果。

　　但目前的大多數(shù)ADC都是Σ-Δ轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器不是使用逐次逼近的方法來(lái)產(chǎn)生很高的分辨率，而是使用了1位的ADC。為了對(duì)這個(gè)減少了的量化等級(jí)數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，這些轉(zhuǎn)換器在比Nyquist頻率高得多的頻率下進(jìn)行過(guò)采樣操作。把這些過(guò)采樣的1位樣點(diǎn)流轉(zhuǎn)換成一個(gè)較低速率、較高分辨率的樣點(diǎn)流是使用這些轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的數(shù)字濾波模塊完成的，目的是為了適應(yīng)傳統(tǒng)PCM流的處理。例如，一個(gè)16位44.1kHz的Σ-Δ ADC可以用64倍的過(guò)采樣率，產(chǎn)生一個(gè)速率為2.8224MHz的1位樣點(diǎn)流。然后用一個(gè)數(shù)字抽取濾波器把這個(gè)超級(jí)采樣的樣點(diǎn)流轉(zhuǎn)換成一個(gè)速率等于44.1kHz的16位樣點(diǎn)流。

　　由于對(duì)模擬信號(hào)的過(guò)采樣操作，Σ-Δ ADC放寬了對(duì)用來(lái)限制輸入信號(hào)帶寬的模擬低通濾波器的性能要求。這些轉(zhuǎn)換器還具有將輸出噪聲分布在比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器更寬的頻譜內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)。